Poiskal sem ExoMars sondo in našel resnico o vesoljskih avtocestah

Vesoljsko plovilo ExoMars Evropske vesoljske agencije trenutno potuje po nebesni avtocesti, osem dni po sedemmesečni poti do Rdečega planeta. Vemo, da bo pristala na Marsu 19. oktobra, toda kje bo čez mesec? Ali četrti julij? Njegova lokacija se mi je zdela izračunljiva.Glede na čas pospeševanja vesoljskega plovila, potovalno hitrost in razdaljo od Marsa ob izstrelitvi, sem mislil, da bom lahko izčrpal nekaj številk. To je bilo - vem zdaj - čisto čistost. Raketna znanost je kulturni pečat, celo kliše, z razlogom.

To sem našel, ko sem poskušal najti vesoljsko plovilo.

Vesoljske avtoceste niso všeč kopenskim cestam, je pojasnil dr. Michael Khan, strokovnjak za nebesne mehanike v uradu za analizo misij ESA, ko sem prosil za nasvet, kako najti ExoMars. Če obstaja ena stvar, ki jo morate imeti v mislih, pravi, da je to: V vesolju ni ravne črte. V lepo napisani e-pošti je pojasnil, zakaj se bomo vsi morali naučiti voziti po krivulji - in zakaj je prihodnost vesoljskih potovanj neskončno bolj zapletena, kot si mislimo.

Namesto da bi poskušali povzeti njegovo razlago, jo bom prilepila spodaj, ker je lepa.

Bojim se, da je nebesna mehanika, ki je znanost, ki temelji na izračunu trajektorij vseh orbit v prostoru (naravnih ali umetnih), delala nekoliko drugače od tistega, kar se zdi, da ste domnevali.

Medplanetarni prenos od Zemlje do drugega planeta (v tem primeru Marsa) ni stvar letenja na ravni liniji z dano križarsko hitrostjo, kot bi letalo na Zemlji, ali kot ladja, ki potuje po oceanu, nekatere spremembe v smeri na določenih točkah. Tako ne deluje v sončnem sistemu. Ker ne deluje tako, mislim, da ne bo preprosto (ali celo možno) narediti preprostih, grobih in pripravljenih izračunov, kje bo ExoMars ob katerem času.

Pravzaprav so zakoni narave, ki urejajo letenje predmeta skozi vesolje, pred stoletji izvedli Isaac Newton in Johannes Kepler. Malo bom poenostavil: Zemlja in Mars se premikata po orbitih, ki so bolj ali manj krožne (za Mars to ni povsem res, toda to je za začetek). Zdaj imamo orbito Zemlje, širok krog okoli Sonca in Marsovo orbito, še širši krog, ki ima v središču tudi Sonce.

Trajektorija prenosa, ki ji sledi ExoMars, je elipse. Kjer je ta elipsa najbližje Soncu, pase zemeljsko orbito. Kjer je najbolj oddaljen od Suba, pase orbito Marsa. Vesoljsko plovilo leti od te najnižje do najbolj oddaljene točke. Dosegel je elipso z ogromnim povečanjem, ki mu ga je prinesla protonska M raketa, ki je bila uporabljena za lansiranje ExoMarsa, tako visoko in hitro, da je vesoljsko plovilo dejansko zapustilo Zemljino gravitacijo s pravo hitrostjo in smerjo, da bi izpolnilo zahtevano elipso prenosa. na Mars. Na tej točki (pobeg Zemlje) je bil ExoMars precej hitrejši od Zemlje na svoji orbiti okoli Sonca.

Na tej elipsi prenosa se bo hitrost ExoMars nenehno zmanjševala. Da bi razumeli, zakaj je tako, si zamislite nihalo za uro, ko se nihalo dvigne, se premika počasneje in počasneje. To je zato, ker obstajata dve vrsti energije: potencialna energija (= energija višine) in kinetična energija (= energija gibanja). V orbiti vesoljskega plovila je določena skupna energija. To je posredoval lansirnik. Ta energija se ne poveča. To je kot žepnina ali plače, samo da bi to trajalo.

Če raketa ni dala dovolj energije, se orbita ExoMarsa ne bi približala Marsovi orbiti. Nasprotno, če bi raketa dala preveč energije, bi se orbita vesoljskega plovila premaknila čez Marsovo orbito. Zato smo želeli (in dobili) ravno pravo količino energije, ne premalo, vendar ne preveč. To se razlikuje od žepnine ali plače, kjer je preveč definitivno boljše kot premalo.

Zdaj, na eliptičnem prenosu, se vesoljsko plovilo vzpenja od Sonca proti Marsovi orbiti in Sonce se s svojo težo drži vesoljskega plovila. Tako se ExoMars vzpenja, njegova višinska energija pa se povečuje. Zato se mora energija gibanja zmanjšati. Skupna energija ostaja enaka. Torej, na letu na Mars, ExoMars nenehno postaja počasnejši in počasnejši.

Za izračun prenosa je nujno upoštevati gravitacijsko privlačnost skozi sonce. Obstajajo tudi drugi učinki, kot so zelo majhen pritisk svetlobe na sončne celice in gravitacija planetov v sončnem sistemu, in seveda moramo upoštevati vsakič, ko uporabljamo raketne motorje na ExoMarsu za spremembo orbite.. Vse to pa ima veliko manjši učinek kot sončna gravitacija.

V bistvu uporabljamo računalnik za izračun trajektorije vesoljskega plovila ob upoštevanju vseh dejavnikov, ki vplivajo na trajektorijo, in lahko merimo tudi, kje je vesoljsko plovilo in kako hitro potuje od časa, ko signali potujejo od Zemlje do Zemlje. vesoljsko plovilo in nazaj ter kako se frekvenca signala skozi čas spreminja.

V poznejši e-pošti je dodal:

Najpomembnejša stvar, ki jo vidite, je, da je trajektorija ExoMars, tako kot vse trajektorije v prostoru, izrazito ukrivljena. V prostoru ni ravnih črt. Ko imate telesa, ki imajo maso, kot so zvezde in planeti, imate gravitacijo, in v prisotnosti gravitacije, bo vse letelo na ovinkih. Krivulje so naravne, ravne črte niso. Razdalja, ki poteka po ukrivljeni rdeči črti od Zemlje do Marsa, je približno 500 milijonov kilometrov, da se to postavi v perspektivo. Pol milijarde kilometrov.